新思路
今天和大家分享一家日本中小企业如何通过产学结合，运用AI技术实现生产自动化的案例。这也是全球中小企业谋求弯道超车、快速成长的一个新思路。
三幸这家企业
株式会社三幸这家企业，规模不大，此前也不算有名。但最近却因AI技术实现自动化而备受业界关注。
这家日本企业创立于1969年，资本金2000万日元，公司全体员工70人。创立初期靠碳制品和半导体制造设备所用零件的贸易起家，后根据客户以及市场需求，进入21世纪后，三幸进军制造业，并建立了以碳制品、陶瓷、精密器材为核心的产品群。近几年面向半导体制造设备的精密器材需求变大，三幸也取得了瞩目的业绩。
关于设备开发与FZ法
让三幸走入大众视野的，还是这家企业最近正在挑战的一个新项目：可实现操作自动化的晶体生长设备的开发项目。
该项目的基础设备是FZ法设备，也叫做晶体生长炉。三幸的目标是将原先需要熟练操作工操作的“FZ法”完全自动化。
何为FZ法？
首先，我们先了解一下何为FZ法设备？在现代半导体产业中，高度单晶硅是不可或缺的材料。为了制备这种材料，工业界发展出了多种生产方法。其中，Czochralski法（CZ法）和区熔法（FZ法）是最常用的两种。
CZ法是一种广泛应用于大规模生产单晶硅的方法。这种方法以多晶硅为原料，在熔融状态下通过旋转籽晶使硅原子逐渐排列成单晶结构。CZ法生产的单晶硅具有尺寸大、产量高、成本低等优点，因此被广泛应用于太阳能电池、集成电路等领域。
区熔法，简称FZ法，是一种通过局部加热多晶硅棒来制备单晶硅的方法。在FZ法中，多晶硅棒被放置在加热炉中，通过控制加热区域的温度和移动速度，使硅原子在熔融状态下重新排列成单晶结构。FZ法生产的单晶硅具有高纯度、小尺寸、晶体质量好等特点，因此在一些特殊领域，如高性能电子器件、光电器件等方面有着广泛的应用。
三幸挑战改善的生产方式就是后者：FZ法。
FZ法与CZ法的优劣点对比
虽然FZ法生产出的单晶体纯度更高，尺寸更小，但因为制造难度大，所花时间多，在工业领域的商业运用效率其实不如CZ法。为了解决这个难题，且保持单晶体性能质量的同时，兼顾生产效率，传统FZ法都需要熟练操作工进行手动作业，且很难做到全自动化。
在这一生产工艺上，一家企业需要培养一位忠诚、耐得住性子、且格外专注技术的“匠人”担任手动操作FZ法。因此，对个人手艺过度依赖的生产制程，显然不符合工业自动化的未来发展方向。为了解决这一难题，实现FZ法自动化，三幸走上了一条产学结合的创新道路。
三幸的产学结合
三幸、名古屋大学未来材料Systems研究所准教授与京都大学发起的创新企业Anamorphosis Networks三方合作，共同研究FZ法自动化的课题。
各方的角色扮演
三幸：负责FZ法晶体生长炉开发
名古屋大学未来材料Systems研究所原田准教授：负责项目整体统合并向前推进：具体任务是与Anamorphosis Networks合作，开发能够实现制造工艺自动化的AI控制算法。
原田准教授在大学里的研究方向为利用最新的情报学技术，评价半导体材料-硅晶圆材料的结晶技术。他指出，由于人工智能技术的广泛应用，不仅自动驾驶成为现实，连结晶成长也能实现自动化。自动驾驶实现了机器深度学习一边驾驶汽车，一边注意过往车辆行人并做出减速、刹车、转弯、避让等一系列精准判断行为。
同样，半导体结晶成长制程也是如此，特别是在FZ法领域，通过观察结晶成长的过程，调整制程硅晶片达到最合理的形状。这一步骤，过去都由熟练工手动操作，未来将被AI取代。
手动操作FZ法制程的弊端：熟练工难培养，过度依靠个人技术与经验、制程耗时长且容易出现人为失误，以及因熟练工离岗而造成的企业经营问题等。
深度学习FZ法制程，需要收集大量数据。但这样将耗费过大的劳力与成本。目前该项目正努力通过少量数据进行动态推演。
原田准教授的研究团队，通过机器模仿FZ法的结晶成长行为，输入原料与结晶的下降速度等数据，输出融液的状态（比如融液的宽度与高度），开发出演算模仿软件。通过收集到的少量数据进行的强化学习，实现了最优操作方案，并构建出控制模型。
创新企业的作用：Anamorphosis Networks作为京都大学发起的初创企业，成为科技与商业嫁接的桥梁。该企业为了解决日本少子化带来的制造业人工短缺问题，积极应用最先进AI，图像处理技术来实现产品外观检测自动化，企业DX化进程。
在这次产学合作中，Anamorphosis Networks将FZ法设备内发生的现象用照相机记录下来，利用该公司的图像处理技术收集数据，将努力实现系统操作的自动化。
项目难点
基础数据太少，能否生成高信赖度的模型？
少量数据，能否得到高信赖度的模型呢？原田准教授用登山为例，做了一个形象的比喻：一个登山高手，在爬山之前不需要了解所有登山路径；而是对自己选择的登山路径做一个详细的研究和准备就好。FZ法的数据收据与学习也是如此，在操作数据有限的情况下，通过集中收集深度学习熔融状态变化的相关数据，从而完成高信赖度模型。
项目影响
三幸社长表示，FZ结晶成长制程的AI自动化，将大大提高结晶材料制造的稳定性、良品率以及人力物力成本。也进一步改善半导体制造效率。此外，本次开发的算法，也将广泛应用于其他技术领域，加速了工厂智能化的进程。
小结
中小企业如何突破瓶颈？AI时代，机会来了。三幸就是个好案例。该公司结合自身技术特点，与大学研究所、创新企业进行深度技术合作，借势第三方科研力量，应用AI技术改良现有技术与产品，提高企业竞争力。
参考：
『AI制御アルゴリズムの開発で製造プロセスの自動化を実現』週間ダイヤモンド10/5
旅日匠人配音室
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